Article disponible sur le site http://refletsdelaphysique.fr

Les moteurs moléculaires Vers une imagerie optique du corps humain ?

Existe-t-il une frontière classique/quantique ?

Le Palais de la découverte L’évaluation bibliométrique des chercheurs

n°13- mars 2009- 10€- 5 numéros par an

www.sfpnet.fr

Revue de la Société Française de Ph

ysique

n°13

mars 2009

Article disponible sur le site http://refletsdelaphysique.fr

Éditorial

Chers Collègues, Mesdames et Messieurs,

Je voudrais commencer par remercier la Présidente sortante, Michèle Leduc, son prédécesseur, Roger Maynard, ainsi que le staff, le bureau et le Conseil d’administration de la SFP, pour ce qu’ils ont fait au cours des dernières années : en particulier pour l’amélioration du site web, de la revue Reflets, de l’interaction avec d’autres sociétés, des relations Nord-Sud, pour la mise en place d’une nouvelle fédération F2S des sociétés savantes…

La SFP est une vieille dame, avec peu de moyens : trois permanents et beaucoup de bénévoles.

Récemment, Philippe Nozières me disait que, lorsqu’il était président de la SFP en 1984, la SFP comptait 3000 membres et la DPG (Allemagne) 6000 ; cette dernière en a aujourd’hui 60 000 et l’IOP (UK) 35 000, mais la SFP en a toujours 3000 ! Il est clair que nous avons un sérieux problème.

Différentes actions ont été lancées au cours des dernières années pour améliorer cela, pour l’instant sans trop de succès. Toutefois, il faut continuer et ne pas se décourager. En particulier, il faut :

• avoir un représentant par UFR,

• visiter des laboratoires pour discuter avec leurs directeurs et les jeunes, pour les persuader de rejoindre la SFP,

• agir auprès des industriels,

• demander à chaque membre de la SFP qu’il fasse l’effort de faire entrer un nouveau membre,

• présenter la SFP dans les écoles d’ingénieurs,

• expliquer aux jeunes que, dans une période de forts changements dans les domaines de la recherche et de l’éducation, il est important que les scientifiques se fassent entendre.

Je voudrais insister sur d’autres points importants : Budget annuel

Comme le montre le rapport financier de Joël Le Duff, les recettes en provenance des cotisations sont très inférieures à nos dépenses. Si nous n’avions pas les contributions d’EDP Sciences et de EPL, la SFP connaîtrait de sérieux problèmes financiers. Il faut donc augmenter le nombre de cotisants, chercher d’autres ressources (publicité dans Reflets…) et diminuer nos dépenses.

Réactions aux changements dans la recherche et l’enseignement supérieur

Ceci doit être une priorité ; toutefois, il faut le faire avec d’autres sociétés savantes. C’est ainsi que la lettre que nous avons envoyée au ministre de l’Éducation nationale était cosignée par quatre autres sociétés : la SFM, la SFC, la SEE et la SFO. Nous préparons une action similaire sur le discours du 22 janvier du président de la République : elle sera signée par la SFM, la SCF et la SFP et sera envoyée par mailà tous les membres de la SFP.

Les prix

C’est une action importante de la SFP et ils ont du succès. Toutefois, il y a un certain nombre d’améliorations à apporter :

• un effort reste à faire pour rendre nos prix plus visibles et, pour commencer, donner plus d’informations sur notre site web;

• il y a presque toujours un seul « lauréat » ; or le travail est souvent fait par plusieurs chercheurs ;

• pour certains prix, un étranger, même résidant en France depuis 30 ans, ne peut être considéré !

• entre 1993 et 2008, sur les 45 prix attribués, 38 ont été décernés à des collègues de la région parisienne et sept à des collègues de province ! Attention, danger : ces derniers ont du mal à comprendre cela.

Relations avec les industriels

Notre société ne comporte malheureusement qu’un très petit nombre de membres industriels, alors qu’un nombre important de prix sont financés par l’industrie. Pourquoi ? Je n’ai toujours pas eu de réponse : il faut essayer de changer cela.

Reflets de la Physique^n°13

2

Reflets de la Physique^n°13

3

Allocution du président entrant

présentée à l’Assemblée générale du 7 février 2009

Bourse de l’emploi

Il est important d’avoir sur notre site web une bourse de l’emploi pour les thésards, les postdocs, les maîtres de conférence, les emplois industriels… C’est ce que les jeunes demandent. La commission jeunes de la SFP y travaille avec la Société de chimie.

Relations avec les médias, communication

Nous avons incontestablement beaucoup de progrès à faire dans ce domaine. La Société allemande de physique a sous-traité ce pro- blème à un cabinet privé (une majorité de physiciens était contre) : elle a aujourd’hui un très gros impact dans les médias. Petit détail, le coût : 150 000 €/an ! Ce n’est pas pour la SFP.

La commission « Culture scientifique », présidée par Daniel Bideau, a proposé de réactiver nos relations avec les médias, pour deux raisons :

• communiquer au grand public les avancées de la science et faire connaître nos activités,

• tenter de faire en sorte que la démarche scientifique et les valeurs de la science ne soient pas dénaturées dans les médias, voire dans l’enseignement.

Deux types d’actions seront entreprises :

• comme ces problèmes ne concernent pas seulement la physique mais toute la science, nous allons organiser une réunion avec d’autres sociétés savantes (SEE, SFO, SFM, SFC, pour commencer) pour essayer de mettre au point des actions communes ;

• organiser des petits déjeuners de la SFP, qui pourraient se tenir deux fois par an (ils existaient autrefois), ouverts à tous les médias, sur un ordre du jour portant sur une actualité scientifique forte (découverte importante, modification gouvernementale du système de recherche ou d’enseignement) ou sur un problème de société dans lequel la science est fortement impliquée (crise énergétique, polémique autour des nanos…). On pourrait le faire, à tour de rôle, avec les autres sociétés.

De plus, il faut faire plus de publicité auprès des médias, lorsque l’on décerne nos prix.

Communication interne

Je crois que tout le monde a apprécié les changements récents mis en place dans la revue de la SFP, Reflets de la physique. Il y a quelques mois, nous avons signé un contrat avec EDP Sciences pour trouver des annonceurs, de façon a faire diminuer les coûts, et pour mettre en place un site web. Cette publicité, sur du matériel scientifique ou des annonces de postes, ne devra pas dépasser 20% des pages de la revue.

Nous avons décidé de créer une lettre aux adhérents, qui leur sera envoyée tous les deux mois, par courrier électronique : elle aura pour but de les tenir au courant des actions récentes de la SFP.

Une première journée interdivisions, due à une initiative de la Division des plasmas, aura lieu à Toulouse le 16 mars prochain.

La motivation est une réflexion sur les liens de la SFP avec ses divisions de spécialité, et sur la manière de rendre la SFP plus attractive, particulièrement vis-à-vis des jeunes.

Le séminaire d’Orléanspermet aux divisions et sections locales de se rencontrer et de présenter leurs rapports d’activité. Toutefois, on a pu voir la dernière fois qu’il n’y a pas assez de temps pour la discussion. Il faut remédier à cela et nous le ferons dès cette année.

Pour faciliter nos contacts avec nos collègues de province, nous allons installer un système de vidéoconférenceà la SFP.

Les divisions de spécialité

En général, elles fonctionnent bien. Certaines d’entre elles devraient alimenter davantage leur site pour le rendre plus vivant, mieux documenté et plus attractif.

Les sections locales

Certaines sont très dynamiques, d’autres moins. Au cours du dernier séminaire d’Orléans, ce qui m’a frappé c’est qu’aucune section n’a mentionné dans son rapport le moindre contact avec l’industrie, même dans des régions où il y a d’excellents laboratoires indus- triels. D’autre part, il faut que toutes les sections locales aient une page webbien informée et régulièrement mise à jour.

La nouvelle Fédération Française des Sociétés Scientifiques Elle va remplacer l’ancien G2P. Au départ elle est formée de la SFP, la SEE et la SFO ; mais plusieurs autres sociétés sont prêtes à la rejoindre (Sociétés française du vide, d’acoustique, de thermique, Association française de cristallographie, mécaniciens). Le but est d’avoir des actions communes, d’être un interlocuteur plus visible par les décideurs au cours des discussions sur les réformes et les programmes scientifiques, et aussi de se préoccuper conjointement de la désaffection des jeunes pour la science. La F2S poursuivra la remise du prix Néel.

Conclusion

Lorsque Roger Maynard m’a demandé si j’accepterais de prendre la direction de la SFP, j’ai beaucoup hésité, ayant passé trois ans à la direction de l’IUPAP. Je lui ai demandé combien de temps cela prenait ? Il m’a répondu : un à deux jours par semaine. Comme c’est un théoricien, j’ai multiplié par deux. J’étais en dessous de la vérité. C’est pour ainsi dire un travail à temps plein, compliqué par le fait que je suis à Grenoble.

Toutefois c’est un travail exaltant, mais j’ai besoin de votre aide ! Yves Petroff

Sommaire

Allocution du président entrant Y. Petroff

Machines moléculaires, allumez vos feux de position ! G. Cappello

Vers une imagerie optique du corps humain ? C. Boccara

Populariser la physique théorique : un défi M. Leduc

Existe-t-il une frontière classique/quantique ? M. Le Bellac

Le Palais de la découverte (interview) L’évaluation bibliométrique des chercheurs

F. Laloë et R. Mosseri

Actualités de la SFP

Mesurexpo et prix Yves Rocard 2008

Les réseaux thématiques de recherche avancée J.L. Pautrat

Vie d’EDP Sciences

Notes de lecture

Index des articles parus dans Reflets de la physiqueen 2008 Courrier des lecteurs

Le Palais de la découverte : science, culture et émotion

Comité de rédaction Président :Jean-Pierre HULIN

Membres :Patricia BASSEREAU - Michel BELAKHOVSKY - Fabienne CASOLI - Jacques CHOMILIER - Anne DAVAILLE - Étienne GUYON - Pascale HENNEQUIN -

Georges LANDA - Roland LEHOUCQ - Jérôme MARGUERON - Charles de NOVION - Sophie REMY - Claude SÉBENNE - José TEIXEIRA - Jean VANNIMENUS - Christophe YÈCHE

Directeur de la publication : Sylvie MAGNIER Rédacteur en chef :Charles de NOVION Conception :Lætitia MORIN - Keith VILLEMEUR Réalisation graphique :Lætitia MORIN

Suivi de rédaction :Agathe CYMER

Service publicité :Aurélie LEFEBVRE - Tél. : 01 69 18 92 40 e-mail : [email protected]

Dépôt légal 1^ertrimestre 2009 - Commission Paritaire 0310 G 86176 ISSN 1953-793 X©SFP - Édité à 3300 exemplaires

Imprimerie Jouve, 11, bd de Sébastopol, 75027 Paris Cédex 01 Tél. : 01 44 76 54 40.

Société française de physique, 33, rue Croulebarbe, 75013 Paris Tél. : 01 44 08 67 10 - Fax 01 44 08 67 19

e-mail : [email protected] - Serveur : www.sfpnet.fr SFP Bulletin, Institut Henri-Poincaré, 11, rue Pierre-et-Marie Curie, 75005 Paris

e-mail : [email protected] Le marquage spécifique

d’une seule tête de la myosine V par une petite bille d’or a permis de découvrir qu’elle marche comme un bipède. Voir article p. 5.

6

2

5 10

14 15

20 23

25 26

28

31

32 34

35 36

Éditorial

Avancées de la recherche

Science et société

Reflets de la physique et ses lecteurs Au sein et autour de la SFP

page

page11

page20

page26

©Chantal Rousselin

Reflets de la Physique^n°13

4

Reflets de la Physique^n°13 À la base d’une grosse partie de l’activité

mécanique des cellules, il y a une classe de protéines : les moteurs moléculaires. Mais à quoi ressemblent ces « moteurs » nanométriques ? Comment sont-ils faits et quel est le processus physico-chimique qui leur permet de produire du travail mécanique ? Et, finalement, quelles expériences ont permis de les étudier, les visualiser et les perturber pour en comprendre le fonctionnement ?

Qu’est-ce qu’un moteur moléculaire ?

Les protéines dites moteurs transforment l’énergie chimique en travail mécanique, qui sera utilisé, par exemple, pour se déplacer et transporter du matériel intracellulaire. Cette caractéristique leur a valu l’appellation de moteurs, par analogie avec les moteurs macroscopiques qui convertissent les différentes énergies (chi- mique, thermique, électrique…) en travail.

Dans la pratique, les moteurs moléculaires catalysent la réaction d’hydrolyse de l’adénosine triphosphate (ATP) en adénosine diphosphate (ADP), plus un phosphate libre (P_i) :

ATP + H₂O → ADP + P_i+ Énergie.

Cette réaction est exothermique et dégage une énergie d’environ 0,5 eV, vingt fois supé- rieure à l’énergie thermique des molécules environnantes, qui est transformée en travail mécanique.

Quelle est la structure d’un moteur moléculaire ?

Nous connaissons aujourd’hui plusieurs dizaines de protéines moteurs, toutes très diffé- rentes en apparence. On peut citer les dynéines et les kinésines qui se déplacent, comme sur des rails, le long des microtubules. Elles assurent ainsi le convoyage intracellulaire de protéines, acides nucléiques et organelles [1]. Les ADN et ARN polymérases avancent activement le long de la double hélice pour copier ou transcrire l’ADN [2]. Un moteur très important pour la vie de la cellule est l’ATP synthase : cette machine moléculaire rotative est capable soit d’hydrolyser soit de synthétiser l’ATP, suivant son sens de rotation [3]. Et, finalement, des

dizaines de myosines ont été répertoriées dans les dernières années [4].

C’est une myosine, la myosine V, que nous avons choisi de décortiquer pour illustrer comment fonctionnent les protéines moteurs. On laissera au lecteur curieux la recherche d’analogies et différences avec les autres machines moléculaires, dont les détails sont facilement accessibles sur le web(voir références).

Comparable à une locomotive, la myosine V convoie le matériel intracellulaire (vésicules, organelles, autres protéines…) en se déplaçant le long des filaments d’actine (voir encadré 1, p. 6).

Ces filaments (en rouge) sont des longs poly- mères hélicoïdaux constitués de monomères structurellement asymétriques, qui confèrent une « directionnalité » à l’assemblage. Avec les microtubules, les filaments d’actine constituent le squelette de la cellule. Processivité et effica- cité sont les caractéristiques qui font de la myosine V un transporteur redoutable. Une grande processivité signifie qu’elle parcourt des grandes distances (jusqu’à quelques micromètres), sans se détacher du filament d’actine et toujours dans la même direction : du bout « – » vers le bout « + » du filament, comme indiqué dans la figure de l’encadré. Haute efficacité est syno- nyme de parcimonie. Si, avec ses 12 cycles ATPase par seconde, il s’agit d’un moteur plutôt lent (certaines kinésines dépassent les 300 cycles par seconde), la myosine V utilise la quasi-tota- lité de l’énergie dégagée lors de l’hydrolyse de l’ATP (environ 8×10^-20joules).

Machines moléculaires,

Allumez vos feux de position !

Giovanni Cappello([email protected]) Institut Curie, Laboratoire Physicochimie Curie, UMR 168 CNRS, 26 rue d’Ulm, 75248 Paris Cedex 05

Comment définir la vie ? Un enfant de dix ans répondrait sans hésitation :

« Ça bouge ! »

La réponse est erronée, car beaucoup d’objets inanimés se déplacent, tout comme certains êtres vivants bougent relativement peu…

Néanmoins, la sensation que vie et mouvement sont très corrélés persiste dans l’intuition commune.

Contraction musculaire, migration des cellules, mitose et transport intracellulaire ne sont que quelques exemples de ce biofourmillement.

Quelle est l’origine de tout ce mouvement ?

5

>>>

Av ancées de la rec herc he

1. La myosine V

est constituée de deux sous-unités identiques.

Chaque sous-unité possède : une tête motrice (A), un bras de levier (B), une structure permettant la dimérisation (C) et une queue (D).

6

>>>

Du point de vue structural, la myosine V est un homodimère constitué de deux sous-unités parfaitement identiques (fig. 1).

Ces deux parties sont produites à partir du même gène et, en solution, s’assemblent naturellement viaune structure hélicoïdale entrelacée (domaine C). Chaque sous-unité comporte trois domaines :

• La tête motrice (domaine A).Son nom, tête, a des origines historiques et peut amener à confusion. Dans un souci d’anthropomorphisme, il serait mieux de l’appeler mainou piedde la myosine, car ce domaine s’accroche au filament d’actine et exerce une traction, de la même manière qu’une main tire sur une corde. La tête a deux fonctions : interagir avec l’actine, pour laquelle elle a une affinité spécifique, et hydrolyser l’ATP pour exercer une traction. Dans une myosine saine, ces deux fonctions sont parfaitement synchronisées.

• Le bras (domaine B).Il s’agit d’une longue structure, une sorte de levier qui amplifie le mouvement de la tête. Il faut noter qu’il s’agit d’une structure souple, qui est rigidifiée par la présence d’une troisième protéine : la calmoduline. Cette dernière module l’activité du moteur, en s’accrochant et se décrochant du bras de la myosine V suivant la concentration de calcium intracellulaire. À haute concentration de calcium, la calmoduline devient soluble

et se détache du bras. Ce dernier perd son tonus, et la myosine devient inactive.

• La queue (domaine D).Sa fonction biologique est capitale, car, comme le crochet d’une locomotive, elle permet l’accrochage du cargo. Par contre, comme le domaine C, elle n’est pas impliquée dans le mouvement de la myosine V. Par simplicité, ces deux domaines seront négligés dans la suite.

Comment marche la myosine V ?

La simple description de sa structure ne suffit pas à comprendre comment la myo- sine fonctionne. Au cours de ces vingt-cinq dernières années, les scientifiques se sont évertués à observer le fonctionnement dynamique de ces machines. Tout d’abord, il fallait les visualiser ; malheureusement, si la microscopie électronique a une résolution suffisante pour imager des objets nanomé- triques, elle oblige à travailler sur des objets fixés, ce qui est trop contraignant pour observer un moteur, dont la principale fonction implique le mouvement. La ruse a été trouvée en 1983 par M. Sheetz et J. Spudich [5], qui ont attaché une bille microscopique (100 nm à 1 μm de diamètre) derrière le moteur, en profitant de sa capa- cité naturelle à lier des cargos (fig. 2).

Suffisamment grande pour être vue au microscope optique, la bille indique, instant par instant, la position du moteur. Cette idée simple, consistant pratiquement à mettre un « feu de position » à la protéine, a révolutionné le monde des moteurs moléculaires. On a pu enfin observer le mouvement d’une molécule unique et en

mesurer la vitesse, la processivité et bien d’autres paramètres, le tout sans passer par les mesures enzymatiques, beaucoup plus indirectes et issues de la moyenne d’un grand nombre d’événements.

Cette nouvelle approche expérimentale a été ensuite couplée à une puissante tech- nique de micromanipulation : les pinces optiques. Ce dispositif est basé sur le prin- cipe qu’un faisceau laser très focalisé attire dans son foyer des petits objets, tels que des billes diélectriques. En 1990, S. Block [6]

se servait pour la première fois des pinces optiques pour piéger une bille attachée au moteur moléculaire. Ceci a permis d’attraper le moteur, de le mettre doucement en contact avec le filament¹et d’en suivre le mouvement.

Des expériences de suivi de particule unique, de plus en plus performantes, ont permis de caractériser différents moteurs (un exemple est donné dans l’encadré 2, p. 7).

Le résultat, spectaculaire, est représenté dans la figure 3 : la courbe bleue représente la position en fonction du temps d’une bille attachée à une myosine V. Dans un premier temps l’agitation thermique fait fluctuer la bille dans le piège, puis, à l’instant t₀, la myosine entre en contact avec le filament d’actine et commence à avancer. Tirée par la myosine, la bille s’échappe progressivement du piège. Cette courbe nous fournit deux caractéristiques du moteur : sa vitesse et son pas. Sa vitesse moyenne est d’environ 400 nm/s, ce qui correspond à un déplacement de plusieurs fois la taille du moteur, quelques dizaines de nanomètres, en une seconde.

2. La myosine V(en jaune) se déplace le long d’un filament d’actine (en rouge) et tire un cargo artificiel, une microbille de polystyrène(verte). Les pinces optiques agissent comme un ressort, exercent une force sur la bille de polystyrène. De cette manière, elles opposent une force contrôlée à l’avancement du moteur.

>>>

L’actine est une protéine globulaire d’environ 5 nanomètres de taille. En présence d’ATP, l’actine polymérise et forme des filaments hélicoïdaux.

Ces filaments ont plusieurs caractéristiques remarquables :

1. Leur longueur, pouvant atteindre plusieurs micromètres, est très grande comparée à leur diamètre (environ 10 nm). Malgré ce rapport d’aspect défavorable, ils restent très rigides.

2. En présence d’ATP, ils peuvent polymériser et dépolymériser sans arrêt, donnant lieu à des structures très dynamiques.

3. Les monomères d’actine ont une polarisation structurale naturelle qui confère une direction- nalité au filament. Cette asymétrie, représentée dans la figure par les symboles « - » et « + », détermine la direction du mouvement des myosines.

Les filaments d’actine

encadré 1

Reflets de la Physique^n°13 Deuxièmement, on note que la bille

présente un mouvement de type « salta- toire » : la myosine V avance par pas rapides de 36 nanomètres, suivis par de longues pauses. Les 36 nanomètres correspondent exactement au pas de l’hélice du filament d’actine et nous indiquent que cette myo- sine se déplace d’un mouvement rectiligne ; les deux têtes sont toujours alignées avec le filament d’actine, comme nous l’avons représenté dans la figure 2. Après chaque saut, le moteur s’arrête pendant plusieurs dizaines de millisecondes : ce temps est nécessaire pour compléter le cycle chi- mique d’hydrolyse et charger une nouvelle molécule d’ATP.

Pour terminer, il ne faut pas oublier que dans son mouvement la bille s’échappe progressivement du piège optique, qui agit sur la bille tel un ressort (fig. 2). De fait, plus la bille s’éloigne du centre de la pince optique, plus la force de rappel augmente.

La valeur de cette force, exprimée en picoNewton (10^-12N), est représentée sur l’échelle de droite de la figure 3, en fonc- tion de la position du moteur. Malgré une force de rappel qui augmente pas après pas, la cadence du moteur reste constante…

jusqu’à la force d’arrêt F_max= 2 pN. Une fois cette force atteinte, à l’instant t_f le moteur préfère se détacher du filament qu’avancer plus loin. Cette valeur de 2 pN

peut être utilisée pour estimer le travail fourni par la myosine V, car à chaque cycle le moteur parcourt une distance l= 36 nm et développe une force maximale F_max= 2 pN. Le travail W fourni est alors de l’ordre de F_max × l = 72 pN.nm (7,2 10^-20 joules en S.I.). Cette valeur, minuscule dans un monde macroscopique, doit être comparée à l’énergie libérée par l’hydrolyse d’une molécule d’ATP : ΔG_ATP = 80 pN.nm. Ceci signifie que la partie d’énergie chimique disponible qui est convertie en travail mécanique est égale au rapport W/ΔG_ATP, soit 90%. Un tel rendement est bien supérieur à celui d’un moteur thermique macroscopique, qui en général est limité à environ 30%.

Alors, qu’est-ce qui permet au couple myosine/actine d’atteindre une telle effi- cacité, comparable uniquement à celle des meilleurs moteurs électriques ? Il s’agit d’une question toujours actuelle, dont les réponses sont probablement cachées dans les détails du fonctionnement de la myosine V.

On se demande, par exemple, comment le cycle mécanique est lié au cycle chimique et quel rôle jouent les longues pauses entre un pas et le suivant. Quelques questions concernant le mouvement synchrone des deux têtes ont cependant trouvé une réponse récemment.

7

Av ancées de la rec herc he

3. La myosine V se déplace contre la force exercée par le piège optique, en faisant des pas de 36 nanomètres (indiqués ici par des flèches). La force maximale dévelop- pée par cette myosine est de 2 pN, au-delà de laquelle le moteur se décroche de l’actine [7]. Ces expé- riences nécessitent une résolution nanométrique. Différentes techniques ont été mises au point pour atteindre de telles précisions.

Voir l’encadré 2 pour un exemple de détection subnanométrique.

encadré 2

À gauche, la réalisation du dispositif interférentiel :un faisceau laser est divisé en deux et focalisé sur le plan focal arrière d’un objectif de microscope. Ceci crée la figure d’interférence dans le plan d’observation au travers de laquelle se déplacent les moteurs. À droite : observation par interférométrie d’un pas d’une myosine V.

La haute résolution spatiale et temporelle nous permet de distinguer les détails du pas. Le moteur avance d’abord de 5 nanomètres, puis il attend l’arrivée d’une molécule d’ATP pour compléter le pas. Les deux courbes ont été obtenues à deux concentrations d’ATP différentes : quand l’ATP est saturant (courbe bleue), le pas est complété rapidement ; si, par contre, la concentration d’ATP est limitante (courbe rouge), le moteur passe plus de temps dans cette phase intermédiaire.

Un exemple de détection de molécule unique

Localiser une particule unique au nanomètre près a été un défi en soi, qui a stimulé l’ingéniosité des scientifiques. Dans ce but, nous avons mis au point une méthode inter- férométrique pour le suivi rapide d’une particule unique : l’éclairage d’un microscope optique a été remplacé par deux faisceaux lumineux, issus du même laser, qui se croisent au niveau de l’échantillon. Les deux faisceaux, cohérents entre eux, créent une figure d’interférence dans la zone d’observation, avec alternance de bandes éclairées et sombres. Une particule se déplaçant dans ce réseau de franges apparaît comme un point lumineux, qui clignote quand il traverse les zones éclairées. La lumière émise par la particule est récoltée par un détecteur ultra- sensible, une photodiode à avalanche, et le signal traité numériquement. À partir de cette information, il est possible de remonter à la position de la particule avec une précision de 0,3 nm, et une résolution temporelle de quelques microsecondes.

>>>

position [nm]

temps [msec]

8

Comment se déplacent les têtes de la myosine V pour produire un mouvement processif et efficace ?

Est-ce que la myosine V bouge parallè- lement à elle-même, comme un ver de terre qui rampe le long du filament d’actine ou avance-t-elle comme un bipède qui alterne les deux têtes (qu’il faudrait, cette fois-ci, appeler pieds) ?

La réponse a été fournie par P. Selvin [8]

et confirmée par A. Dunn [9], avec une expérience simple et astucieuse. L’idée est d’observer le déplacement d’une seule des deux têtes plutôt que le mouvement global du moteur. En effet, si le moteur avançait comme un ver, les deux têtes glisseraient à chaque pas de 36 nanomètres (fig. 4a droite).

Dans le cas d’un bipède, en revanche, une tête resterait immobile pendant que l’autre avancerait de 72 nanomètres (fig. 4a gauche).

Pour visualiser la position de la tête de la myosine V en temps réel, A. Dunn et ses collaborateurs ont modifié, par voie géné- tique, une calmodulineproche de la tête de la myosine ; ceci dans le but de la conjuguer à une petite particule d’or (fig. 4b). L’or diffuse très bien la lumière et il est opti- quement visible en très petite quantité.

Une sphère de 40 nanomètres de diamètre, par exemple, peut être suivie avec un microscope optique standard. En même temps, sa taille étant comparable à celle de la protéine, elle en perturbe peu le mouve- ment. La bille a été filmée à l’aide d’une caméra ultrarapide à plus de 1000 images par seconde et ensuite sa position a été mesurée avec une précision nanométrique.

La figure 5 montre une suite de pas, dont la hauteur moyenne est de 72 nanomètres environ. Aucun pas de 36 nanomètres n’a été détecté. De plus, quand on s’intéresse à ce qui se passe pendant le pas (on voit les détails de plusieurs pas dans les courbes à droite), on s’aperçoit que le mouvement se fait en deux temps. La tête de la myosine se déplace d’abord de 50 nm, puis elle s’accorde une courte pause avant de se rat- tacher au filament d’actine. Pendant cette pause, indiquée dans la figure 5 par des flèches rouges, la bille d’or fluctue plus que d’habitude. L’augmentation des fluctuations dans cette partie de la courbe semble indiquer que la myosine V se trouve dans la position schématisée dans la figure 4b :

la tête en l’air à la recherche du prochain site d’accrochage.

Conclusion : la myosine V se déplace comme un bipède.

De retour dans la cellule

Nous avons vu comment soutirer quelques petits secrets à la nature, grâce à la visualisation d’une protéine unique.

Toutefois, nous pouvons rester critiques par rapport à nos expériences et nous demander quelle est leur pertinence biolo- gique. De fait, nous n’avons décrit jusqu’ici que des systèmes minimaux, reconstitués in vitro à partir de myosines, filaments d’actine et ATP, et qui restent

5. Mouvement de la bille d’or attachée à la tête de la myosine V :position en fonction du temps.

À gauche, on distingue les pas de 72 nm. À droite, quelques agrandissements de la trace, qui mettent en évidence le détail des pas et montrent qu’ils se font en deux temps [9].

4. Mouvement hand-over-handde la myosine V.(a) Lorsque les deux têtes sont attachées au filament d’actine (images du haut), elles sont séparées de 36 nm, ce qui correspond au pas d’hélice du filament (encadré 1, p. 6). Deux mouvements sont possibles : un mouvement de bipède, où la tête avant (bleue) reste fixe, pendant que la tête arrière (rouge) se détache et se déplace vers l’avant de 72 nm (schémas de gauche) ; ou un mouvement de reptation, où toute la protéine se déplace parallèlement à elle-même, chaque tête avançant de 36 nm (schémas de droite). (b) Le marquage spécifique d’une seule tête de ce moteur par une petite bille d’or a permis de découvrir qu’elle marche comme un bipède.

a Bipède Reptation b

>>>

Reflets de la Physique^n°13

9

Av ancées de la rec herc he

très loin de l’environnement naturel de ces moteurs : la cellule. Est-ce que ces résultats sont représentatifs de ce qui se passe réellement dans le cytoplasme, où le fonctionnement de la myosine peut être affecté par le pH, la force ionique ou par la présence de partenaires et cofacteurs ? La solution naturelle consiste à effectuer toutes les expériences à l’intérieur de la cellule. Cependant, cette voie a pu être empruntée uniquement quand on a su rendre les moteurs visibles dans une cellule. Encore une fois, il fallait identifier une sonde non toxique, suffisamment petite pour ne pas perturber la myosine, assez stable et lumineuse pour être détectée et, finalement, facilement reconnaissa- ble. Et trouver un moyen de l’attacher à la myosine [10]…

Les bonnes candidates étaient de nouvelles particules semi-conductrices, d’environ dix nanomètres de diamètre, les quantum dots (QDs) ou plots quantiques. Ces nanoparticules sont beaucoup plus petites que les billes de polystyrène (1 μm environ) et perturbent moins le mouvement de la myosine dans un environnement aussi encombré que la cellule.

De plus, les QDs sont fluorescents : comme de l’encre sympathique ils apparaissent rouges quand ils sont éclairés avec de la lumière ultra- violette², ce qui les rend facilement reconnais- sables dans la cellule. Une fois pourvus d’un revêtement non toxique pour la cellule et conjugués à la myosine par la technique mise au point pour les billes d’or, les quantum dots sont finalement injectés dans une cellule vivante et leurs mouvements filmés.

Le quantum dot, que nous avons schématisé par une ampoule dans la figure 6, est sensiblement plus petit que les billes d’or (les rapports des tailles entre les sondes ont été préservés dans nos

images). De plus, il est facilement reconnaissable par sa couleur rouge ! On peut voir cela très bien dans la figure 7, où l’on voit les quantum dots/

myosine à l’intérieur d’une cellule en culture.

Le contour de la cellule est mis en évidence par la ligne bleue, et à chaque point brillant correspond un QD. Avec un temps d’exposition suffisamment long (quelques secondes) on crée un effet de persistance, qui permet d’identifier les objets en mouvement : de fait, les particules laissent des trainées lorsqu’elles se déplacent, indiquées par les flèches blanches dans l’image.

À partir de ce type d’expérience, on mesure déjà la vitesse et la processivité du moteur dans la cellule. On espère qu’on pourra bientôt accéder à d’autres paramètres dynamiques du moteur, tels que la taille de son pas et les forces qu’il exerce. Mais, surtout, ces premières expé- riences dans les cellules confirment la validité des observations in vitro et ouvrent une nou- velle voie d’accès aux mystères des machines moléculaires.

Conclusion

Nous avons décrit ici quelques-unes des expériences les plus élégantes qui ont dissipé le brouillard autour de l’activité des myosines V, avec une attention particulière pour les astuces qui ont rendu possible la visualisation dynamique de ces machines nanométriques.

Pourtant, le défi ne s’arrête pas ici. Biologistes et physiciens souhaitent, d’une part, comprendre le comportement du moteur dans la cellule, où il n’est qu’un élément d’une machine bien complexe. D’autre part, ils rêvent de pouvoir s’inspirer de ces machines pour réaliser des nanomoteurs artificiels. ■

1 • www.proweb.org/kinesin/

2 • http://en.wikipedia.org/wiki/DNA_

polymerase

3 • www.k2.phys.waseda.ac.jp/

Movies.html

4 • www.bms.ed.ac.uk/research/

others/smaciver/ myosins.htm 5 • A.J. Spudich, S.J. Kron, M.P. Sheetz,

“Movement of myosin-coated beads on oriented filaments reconstituted from purified actin”, Nature303(1983) 31-35.

6 • S.M. Block, L.S. Goldstein, B.J. Schnapp,

“Bead movement by single kinesin molecules studied with optical tweezers”, Nature348(1990) 348-52.

7 • G. Cappello et al., “Myosin V stepping mechanism”,Proc. Natl. Acad. Sci. USA.

104(2007) 15328-33.

8 • A. Yildizet al., “Myosin V walks hand- over-hand: single fluorophore imaging with 1.5-nm localization“, Science300 (2003) 2061-5.

9 • A.R. Dunn, J.A. Spudich, “Dynamics of the unbound head during myosin V processive translocation”, Nat. Struct.

Mol. Biol. 14(2007) 246-8.

10 • S. Courty et al., “Tracking individual kinesin motors in living cells using single quantum-dot imaging”, Nano Lett.6(2006) 1491-5.

6. Marquage d’une molécule unique à l’aide d’un quantum dot semi-conducteur.

1- L’expérience originale a été faite sur le système kinésine – microtubule. Elle a été ensuite reproduite avec une grande quan- tité de moteurs différents, parmi lesquels le couple myosine V – actine.

2- Les quantum dotspeuvent être excités dans tout le spectre de l’UV au visible, et peuvent réémettre dans différentes couleurs du visible en fonction de leur taille.

7. Les flèches indiquent les traces laissées par des myosines V se déplaçant à l’intérieur d’une cellule en culture.

Références

Reflets de la Physique^n°13

L’imagerie optique médicale représente aujourd’hui un nouveau défi pour les physiciens : comment réaliser une biopsie optique, c’est-à-dire une coupe des tissus à différentes profondeurs, révélatrice du contraste optique local, alors que ces tissus sont très fortement diffusants ? Nous décrirons quelques approches dont certaines sont déjà utilisées

à l’hôpital, d’autres prêtes à y être testées :

en fonction de la profondeur les méthodes seront différentes, et il faut faire un compromis entre la taille des plus petits détails observables

et la profondeur accessible.

Vers une imagerie optique

du corps humain ?

Claude Boccara([email protected])

Laboratoire d’optique physique, ESPCI, 10 rue Vauquelin, 75231 Paris Cédex 05.

10

L’imagerie biomédicale devient un outil de diagnostic de plus en plus répandu, avec des installations très performantes, mais aussi souvent coûteuses (scanner X, imagerie de résonance magnétique ou IRM, imagerie nucléaire, etc.).

Or, parmi ces méthodes « d’imagerie de l’intérieur du corps humain », on ne trouve pas encore de technique basée sur l’utilisation de la lumière, qui permettrait de « voir » à l’intérieur du corps, de la même façon qu’un anatomo - pathologiste voit des pièces opératoires.

On peut observer que la lumière est réfléchie de façon diffuse et absorbée par le corps, mais ne le traverse pas. Cependant, « si on place une ampoule de lampe de poche dans sa bouche », de la lumière rouge apparaît au niveau des joues (fig. 1). Rouge, parce que les autres longueurs d’onde ont été davantage absorbées à la traversée des tissus. Le proche infrarouge, invisible à l’œil, traverse encore plus facilement les tissus. Ainsi, la lumière se propage dans le corps humain et peut donc servir de moyen d’exploration.

Cette idée date du début du 19^esiècle : avec une illumination à la bougie dans le noir pour observer des organes en transmission, en 1831 R. Bright rapporte le cas d’un patient hydro- céphale dont il observait le crâne en transpa- rence et, en 1843, T.B. Curling procède à un examen visuel des tumeurs des testicules, en transillumination avec l’œil comme détecteur.

Pourquoi donc, avec les progrès des sources depuis la bougie et des détecteurs qui font aujourd’hui beaucoup mieux que l’œil, n’a-t-on pas vu les méthodes optiques s’imposer en imagerie médicale ? La réponse est que, si l’absorption est suffisamment faible pour permettre à la lumière de traverser les tissus, la diffusion l’empêche par contre de se propager en ligne droite pour former des images ; en effet, lors de son trajet dans le tissu, la lumière rencontre une multitude d’obstacles de différentes tailles (cellules et noyaux, mito- chondries, membranes…), dont les dimensions sont comparables à la longueur d’onde optique, et qui vont l’empêcher de se propager en ligne droite.

La grandeur qui permet de caractériser cette diffusion est le libre parcours moyen de la lumière, c’est-à-dire la distance moyenne parcourue par

un photon entre deux événements de diffusion successifs qui le font changer de direction.

Dans les tissus biologiques, le libre parcours moyen est de l’ordre de 50 à 100 microns.

Le nombre de photons qui ne subissent pas de diffusion, dénommés « photons balistiques », décroît exponentiellement avec l’épaisseur traversée et le coefficient de diffusion.

Nous décrirons successivement trois approches, en soulignant leurs potentiels et leurs limites.

1. La situation idéale est celle qui consiste à se débarrasser du fond diffusé, en sélectionnant les photons balistiques (comme dans l’imagerie optique traditionnelle).

2. Pour aller plus en profondeur, lorsqu’il n’y a plus de photons balistiques détectables, il faut travailler en régime purement diffusif et résoudre « un problème inverse », parfois complexe.

3. Enfin, il est possible, en couplant optique et acoustique, d’obtenir le contraste optique recherché avec une résolution de l’ordre du mm, qui est celle de l’acoustique, à plusieurs cm de profondeur.

La sélection des photons balistiques

Pour des profondeurs d’investigation réduites, les techniques d’imagerie optiques consistent à isoler les photons balistiques des photons diffusés, 1. Les tissus de la joue diffusent fortement la lumière de l’ampoule d’une lampe de poche placée dans la bouche.

11

Av ancées de la rec herc he

puisque seuls les premiers permettent une imagerie directe avec une bonne résolution spatiale. C’est notamment le cas de la microscopie confocale qui isole avec un diaphragme les photons balistiques, de la microscopie à deux photons qui utilise des effets non linéaires pour les sélectionner, ou encore de la Tomographie Optique Cohérente, ou OCT en anglais, qui les distingue du fond diffusé par l’utilisation d’interférences avec des sources à faible cohérence temporelle (spectralement larges).

Par ces techniques, il est possible d’obtenir des résolutions micrométriques à travers quelques centaines de microns d’épaisseur.

À titre d’exemple, nous montrons un résultat sur une rétine de rat, en comparaison avec l’histologie correspondante (fig. 2), ainsi que le principe de l’OCT que nous utilisons au laboratoire (fig. 3). On voit ici que le terme « biopsie optique » est bien adapté à ce type d’observation non invasive.

Travailler avec les photons multidiffusés

À la traversée de 5 cm de tissu, soit environ l’épaisseur d’un sein compressé pour un examen de mammographie, la lumière balistique est complètement inexistante, et même avec une source puissante on recueillerait moins d’un photon par siècle ! On se trouve ainsi en régime dit « diffusif » de propagation de la lumière, et pour sonder le milieu il faut bien utiliser cette lumière diffusée qui se propage de façon aléatoire selon des chemins très tortueux. Le « bon paramètre » pour décrire la diffusion de la lumière est un libre parcours moyen de transport, qui tient compte de l’anisotropie de la diffusion. En effet, si la structure qui diffuse la lumière a une taille supérieure à la longueur d’onde (par exemple une cellule ou son noyau qui ont des dimensions de

quelques µm à quelques dizaines de µm, alors que la lumière a une longueur d’onde de l’ordre du µm), la diffusion se fait préfé- rentiellement vers l’avant, un peu comme le ferait une petite lentille convergente. Il faut alors un parcours avec plusieurs collisions pour que la lumière perde la mémoire de sa direction initiale : c’est le libre parcours moyen de transport.

Pour comprendre la base des méthodes de tomographie optique diffuse (DOT en anglais), on peut observer la figure 4. C’est une simulation, basée sur un modèle analytique en régime diffusif pour une distance source-détecteur (ici 5 cm) très supérieure au libre parcours moyen de transport (500 μm), avec un coefficient d’absorption faible devant le coefficient de diffusion (inverse du libre parcours moyen), ce qui est le cas de la majorité des tissus du corps humain, et une géométrie de trans- mission (source et détecteur de part et d’autre). Les photons issus d’une source localisée diffusent dans le milieu, et la taille de la zone explorée est sensiblement égale à la profondeur. Les photons explorent une région relativement grande, avec une forme typique de « banane ». Pour révéler la présence de structures, on combine les informations fournies par plusieurs sources et détecteurs et on reconstruit une image de l’échantillon à l’échelle centimétrique du corps humain.

Les méthodes de reconstruction varient de la plus sommaire, par exemple projections, à la plus complexe. Il y a deux étapes dans le procédé de reconstruction des images.

D’une part, il faut utiliser un modèle de propagation des photons dans le tissu pour pouvoir simuler le comportement de la lumière. Ensuite, il faut traiter le problème

3. Schéma de principe de l’OCT plein champ. C’est un microscope interférométrique, éclairé au moyen d’une lampe halogène. Plusieurs effets sont à prendre en compte.

a) Bien que la source soit incohérente, un pixel du miroir de référence et le pixel corres- pondant dans l’objet vont interférer sur un pixel de la camera. L’image comprend typiquement un million de pixels ; pour alléger la figure, un seul pixel apparaît éclairé sur la référence et l’objet.

b) Comme le spectre de la lampe est large, on n’aura d’interférence que si les chemins optiques du bras objet et du bras de référence sont égaux, typiquement à moins d’un micron près (c’est cette très faible différence de marche qui nous permet de voir des interférences sur un sol mouillé et gras, lorsque les couches de graisse ont des épaisseurs de l’ordre du micromètre).

c) La caméra, en plus de ce signal d’interférence, reçoit la lumière diffusée par le reste du volume de l’objet ; pour éliminer cette contribution gênante, nous déplaçons périodiquement le miroir de référence et calculons les images tomographiques à par- tir de plusieurs images interférométriques enregistrées par la caméra CCD.

d) Enfin, l’exploration en profondeur du tissu se fait en déplaçant l’échantillon (ou le montage, qui peut être très compact), sans toucher au bras de référence.

Reflets de la Physique^n°13 2. Coupe virtuelle non invasive de rétine de rat obtenue par OCT(à droite) et comparaison avec une

coupe histologique et un marquage coloré(à gauche). On retrouve fidèlement, avec l’image OCT, sur quelques centaines de μm de profondeur, les différentes couches caractéristiques et même certains détails qui ont échappé à la coloration. Le champ des images est de 200 μm x 200 μm.

>>>

12

inverse, c’est-à-dire reconstruire, à partir des mesures en surface, les propriétés optiques en 3D dans le milieu.

Les domaines principaux d’utilisation de la tomographie optique sont le cerveau et le sein : le cerveau, car on peut facilement suivre le débit sanguin supplémentaire lié à l’exécution d’une tâche ainsi que l’oxygénation du sang ; pour ce qui est du sein, on peut voir que certaines tumeurs présentent un contraste, là encore associé à la vascularisation qui se crée pour alimenter la tumeur. La mammographie optique de la figure 5, prise à différentes longueurs d’onde pertinentes pour révéler l’influence de l’absorption par l’hémoglobine, montre les signaux associés aux propriétés optiques de la tumeur.

On peut cependant se rendre compte que, malgré les progrès instrumentaux et méthodologiques, la résolution reste de l’ordre du cm, ce qui est beaucoup moins bon que pour la mammographie, l’échographie ou l’IRM. La résolution de cette approche purement optique reste donc insuffisante, dès qu’il s’agit de sonder dans la profondeur des organes.

C’est ce qui nous a conduit à développer une méthode combinant optique et acous- tique, le but étant de révéler des propriétés optiques avec une résolution qui est celle de l’acoustique (~ 1 mm).

L’imagerie acousto-optique.

Comme nous l’avons vu, il apparaît dif- ficile aujourd’hui, avec la lumière seule, d’accéder aux paramètres optiques du milieu avec une résolution de l’ordre du mm à plusieurs cm de profondeur ; il paraît donc souhaitable d’associer une perturbation extérieure bien localisée (typiquement un millimètre cube). Il faut également que l’effet de cette perturbation puisse être transporté par la lumière jusqu’aux bords de l’échantillon où se fera la mesure.

La technique d’imagerie optique que nous employons utilise les propriétés de cohérence de la lumière. À cause des phé- nomènes de diffusion, la propagation d’une onde lumineuse très monochromatique (comme celle issue d’un laser monofré- quence) dans un milieu biologique épais (plusieurs cm) se fait selon une multitude

de chemins possibles ; cela signifie, en termes de photon, que celui-ci perd complètement la « mémoire » de ses caractéristiques (direction, polarisation) et que la phase au cours de cette propagation subit de très fortes variations aléatoires. Cependant, les ondelettes qui vont émerger peuvent inter- férer, car la cohérence de la source choisie est suffisante. Dans ces milieux, les chemins parcourus par la lumière peuvent aller jusqu’à dix fois l’épaisseur traversée, et donc la source lumineuse que nous utilisons doit avoir une grande longueur de cohérence (~ 1 m) ; là encore, nous utilisons des lasers fonctionnant dans le proche infrarouge qui sont peu absorbés.

La distribution spatiale du champ élec- tromagnétique à la sortie du milieu biolo- gique est aléatoire en amplitude et en phase ; on la qualifie de granularité laser, ou encore de speckle. En effet, en chaque point de la face de sortie du milieu traversé par la lumière, le champ de la lumière est la résultante d’interférences entre un grand nombre de petites contributions indépen- dantes, suite aux différents chemins de propagation possibles dans le milieu.

Pour localiser une information révéla- trice du contraste optique à l’intérieur d’un milieu diffusant, nous envoyons simultanément sur ce milieu de la lumière et des ultrasons.

Les ultrasons, à travers l’effet acousto- optique, permettent de satisfaire les condi- tions de perturbation des tissus que nous souhaitons réaliser : en effet, aux fréquences échographiques habituelles où nous tra- vaillons (quelques MHz), les ultrasons, qui se propagent balistiquement dans le milieu, ont comme effet de comprimer et de dilater celui-ci dans le temps de façon périodique.

Une des conséquences est la modification du chemin optique de la lumière qui s’y propage, et donc de la phase des ondelettes

5. Exemples de mammographies,avec des rayons X (à gauche), et optique à différentes longueurs d’onde (images à droite de la précédente), d’un sein présentant un fibroadénome, indiqué par une flèche. (P. Taroni et al.,Physics in Medicine and Biology50(2005) 2469).

4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 source

détecteur

4. « Bananes » associées à la distribution des photons issus d’une source et atteignant un détecteur.Chaque couleur reflète la probabilité, en différents points de l’échantillon, pour un photon issu de la source, d’atteindre le détec- teur après traversée de l’échantillon.

L’échelle des couleurs est logarith- mique et s’étend sur un peu plus de quatre ordres de grandeur.

>>>

Reflets de la Physique^n°13

13

Av ancées de la rec herc he

émergentes, qui induit une modulation de l’amplitude du speckle à la fréquence des ultrasons. Mais on sait que cette lumière modulée est passée par la zone insonifiée.

On peut considérer cette zone, où photons et ultrasons se superposent, comme une source virtuelle de lumière modulée à la fréquence des ultrasons, que l’on peut positionner à notre guise dans l’organe à examiner. Le rayonnement de cette source, que nous recueillerons à l’extérieur, sera en particulier sensible aux propriétés locales d’absorption et de diffusion de la lumière à la position de la source virtuelle : par exemple, si cette source passe dans une zone plus absorbante optiquement que le reste du tissu, il y aura moins de lumière qui émergera de l’échantillon.

À titre d’exemple, la figure 6 montre que lorsque la zone insonifiée est située dans une région fortement absorbante, le signal est considérablement réduit. Les images 2-D sont construites par balayage électronique de la position de la source ultrasonore dans l’échantillon, grâce à une barrette linéaire d’émetteurs ultrasonores du type de celles utilisées en échographie. Pour obtenir une image 3-D, il faut déplacer mécaniquement la barrette.

Nous avons montré expérimentalement que ces signaux sont aussi sensibles à des contrastes liés à la diffusion de la lumière : par exemple, à la suite d’une nécrose créée par hyperthermie avec des ultrasons foca- lisés, les tissus deviennent très diffusants.

Dans le cadre du Cancéropôle Île-de- France, une série d’expériences sur les tumeurs du sein est prévue, dans un proche avenir, à l’Hôpital Curie.

Nous plaçons beaucoup d’espoir dans l’utilisation de ces approches multimodales (ici optique et acoustique) ; il n’en reste pas moins que, si le principe en est assez simple, ces approches restent délicates, car

les signaux sont faibles : le nombre de photons que l’on recueillera à la sortie d’un sein et qui sont passés par un volume de l’ordre du mm³est largement inférieur à un par grain de speckle.

Du laboratoire à l’hôpital…

quel rôle pour le physicien ?

Ce bref panorama nous indique quelques pistes qui permettent d’atteindre les propriétés optiques des tissus et des organes en vue d’un diagnostic non invasif.

Quels sont les avantages des méthodes optiques et quelles informations pertinentes pour le médecin peut apporter la lumière, que ne possèdent pas les nombreuses méthodes actuellement présentes à l’hôpital ? L’imagerie optique révèle un contraste qui lui est propre (contraste endogène) ou qui est apporté par un agent extérieur (exogène) qui peut être ciblé (imagerie moléculaire).

Par exemple, autour d’une tumeur se crée une vascularisation anarchique destinée à apporter à la tumeur oxygène et glucose.

Le spectre d’absorption de l’hémoglobine autour de 800 nm permet de mettre en évidence à la fois cette concentration locale d’hémoglobine, ainsi que le niveau d’oxygénation de cette dernière.

L’OCT dont nous avons parlé occupe déjà une place de choix dans les services d’ophtalmologie des hôpitaux, pour obser- ver l’état de la rétine et son évolution au cours des traitements.

D’autres approches que nous n’avons pas mentionnées utilisent des agents de contraste fluorescents pour l’imagerie, ou encore des particules d’or très absorbantes pour la thérapie.

Les instruments basés sur la détection optique sont beaucoup moins coûteux que les machines d’IRM, de tomographie par

positons, ou les scanners : par exemple, quelques lasers à semi-conducteurs associés à des détecteurs au silicium permettent de révéler l’activation cérébrale au niveau du cortex pour quelques milliers d’euros. Si la résolution est nettement moins bonne que celle de systèmes d’IRM (qui coûtent des millions d’euros), on peut néanmoins utili- ser de tels montages pour révéler des pathologies du cerveau.

Enfin, pour le physicien, il est intéressant de disposer d’outils dont les performances atteignent le plus souvent des limites impo- sées par les lois de la physique.

Nous avons pu montrer que l’imagerie optique était porteuse d’une information structurale ou fonctionnelle, et que ses applications médicales se font de plus en plus nombreuses. Les progrès technologiques sont, bien sûr, déterminants, mais il reste cependant que les méthodes que nous avons discutées n’utilisent que des concepts très élémentaires et que d’autres effets, classiques ou quantiques, dont le physicien dispose, pourraient être utilisés. De nom- breux outils, permettant une maîtrise accrue des ondes dans les domaines spatiaux ou temporels, sont aujourd’hui disponibles : optique adaptative sur des millions de grains de speckle grâce aux modulateurs spatiaux de lumière, conjugaison de phase sur des milliards de tels grains avec les matériaux photoréfractifs, détection de photons jumeaux, contrôle cohérent, etc.■

Sur l’OCT :

• D. Huang et al., “Optical coherence tomography”, Science254(1991) 1178.

• G.D. Tearney et al., “In vivo endoscopic optical biopsy”, Science276(1997) 2037.

• A. Dubois et al., “Ultrahigh resolution full field optical coherence tomography”, Applied Optics 43(2004) 2874.

Sur la tomographie optique diffuse :

• A.G. Yodh et D.A. Boas, “Functional imaging with diffuse light”, Biomedical photonic handbook, Tuan Vo-Dinh editor, CRC Press (2003).

• A.P. Gibson et al., “Recent advances in diffuse optical imaging”, Physics in Medicine and Biology 50(2005) R1.

Sur l’imagerie acousto-optique :

• J. Selb et al., “Imager dans la profondeur des tissus : lorsque l’acoustique se marie avec l’optique”, Images de la Physique 2005 CNRS. Téléchargeable sur le site du département MPPU du CNRS.

• L.V. Wang, “Ultrasound mediated biophotonic imaging: a review”, Disease Markers, 19 (2004) 123.

6. Validation de la détection acousto-optique sur un fantôme, qui est un milieu diffusant contenant des inclusions absorbantesde 3 mm de diamètre. L’échantillon a été coupé en son milieu pour révéler sa structure interne (image de gauche), qui apparaît sur l’image acousto-optique qui a été obtenue sur l’échantillon entier (image de droite).

En savoir plus…

Reflets de la Physique^n°13

14

Michel Le Bellac est professeur émérite à l’université de Nice. Il a écrit un grand nombre d’ouvrages de physique et a reçu le prix Claude Berthault de l’Académie des sciences pour cette activité remarquable issue de ses cours de DEA. Il est en parti- culier l’auteur de Des phénomènes critiques aux champs de jauge(1988) et de Physique Quantique(2007), deux ouvrages reflétant les progrès de la recherche la plus contemporaine mais cependant très accessibles, publiés dans la collection

« Savoirs Actuels » (CNRS Éditions et EDP Sciences). On lui doit aussi Information Quantique(Belin, 2005).

Michel Le Bellac nous fait partager dans l’article qui suit un peu de sa vision de la mécanique quantique, qui est et reste une théorie difficile à bien comprendre. Elle n’a jamais été mise en défaut par l’expérience, comme l’ont prouvé en 1982 les travaux d’Alain Aspect testant les inégalités de Bell, et bien d’autres du même type par la suite.

Pourtant, de grands esprits comme Einstein ne réussissaient pas à s’en satisfaire.

Si aujourd’hui on ne parle plus des

« paradoxes » de la mécanique quantique, il reste beaucoup de problèmes ouverts.

Depuis qu’on sait manipuler des particules quantiques individuelles, on a pu construire

des expériences ultra-sophistiquées qui nous permettent de mieux appréhender la limite entre le monde classique et le monde quantique. Quant à l’information quantique, qui un jour peut-être nous donnera des ordinateurs surpuissants d’un type nouveau, elle se nourrit de concepts tels que « l’intrication ».

Le présent article s’attache à nous éclairer sur ces notions subtiles, en se référant d’une façon simple aux recherches les plus récentes, sans introduire plus de formalisme que le minimum indispensable à la compréhension.

Michèle Leduc

Populariser la physique théorique : un défi

Le domaine de la physique théorique est vaste, allant de la mécanique quantique et la relativité à la théorie quantique des champs et aux cordes, en passant par la physique statistique des systèmes fortement corrélés. Un peu comme les mathé- matiques, la physique théorique est souvent considérée comme difficile et peu propice à la communication vers un large public. Elle est pourtant au cœur des interrogations fondamentales de la pensée scientifique contemporaine.

Un premier domaine est celui de la cosmologie et de la physique des particules, deux sujets aujourd’hui étroitement imbriqués. Tout le monde admet l’existence des trous noirs ; mais qui comprend l’origine de la matière noire ou de l’énergie sombre ? Le LHC va bientôt, on l’espère, apporter des éclairages nouveaux, et la physique se prépare à interpréter une moisson de résultats d’une grande richesse.

Cependant, il ne faudrait pas se limiter à un point de vue réducteur. Les phénomènes émergents, où les effets collectifs sont prépondérants, posent aussi de redoutables problèmes théoriques.

Reflets de la Physique va publier des articles théoriques, en demandant aux auteurs un effort de pédagogie particulier, qui évite au maximum l’usage d’équations. Une histoire de la théorie des cordes par P.M. Petropoulos devrait faire suite au présent article de Michel Le Bellac, qui expose quelques avancées récentes dans notre compréhension de la mécanique quantique, et à l’article de Jacques Villain (Reflets n°7, pp. 10-13), qui avait présenté les problèmes de physique soulevés par les systèmes avec des interactions à longue portée.

• L’article de Michel Le Bellac sur la décohérence quantique (pp. 15-18) utilise un minimum de f

ormalisme de la théorie quantique moderne. L’état d’un système quantique sur lequel on possède une information complète est traditionnellement décrit par une fonction d’onde (en général complexe) ϕ(r, t). Les valeurs prises par cette fonction en chaque point rde l’espace de configuration peuvent être considérées comme les composantes d’un vecteur. Le formalisme introduit par Dirac en 1925 permet une grande économie d’écriture : l’état quantique est représenté par le symbole |ϕ>, appelé « vecteur ket ».

• Les différents états du système forment un espace vectoriel linéaire H: d’après le principe de superposition linéaire des ondes, toute combinaison linéaire de deux états du système est également un état : |ψ> = α^|ϕ> + β|χ>, avec α²⁺ β²= 1 (normalisation de la fonction d’onde). Cette superposition est cohérente, et une expérience d’interférences convenable permet de mettre en évidence cette cohérence.

• Si le système est dans l’état |ϕ>, l’amplitude de probabilité de le retrouver à l’instant tdans tout autre état |χ> de Hest donnée par l’intégrale ∫χ^{*(r, t)} ϕ^{(r, t) dr(où} χ* est le complexe conjugué de χ) ou, en notation de Dirac, par le produit scalaire <χ|ϕ>. Le vecteur conjugué <χ^{| de |}χ> est appelé « vecteur bra ». La densité de probabilité est le module au carré de ce produit scalaire, |<χ|ϕ^>|2.

• Si les états de deux systèmes quantiques Aet Bsont représentés par des vecteurs |ϕA> et |ϕB> de deux espaces HAet HB, leur état commun est le produit tensoriel |ϕA⊗ϕB>, vecteur de l’espace produit tensoriel HA⊗HB(de dimension égale au produit des dimensions des deux espaces HAet HB). La linéarité de la théorie quantique implique que les combinaisons linéaires de produits tensoriels, du type |ΨAB> = α|ϕA⊗ϕB> + β|χA⊗χB>, représentent aussi des états physiques, qui sont appelés états intriqués.

Quelques rappels de formalisme quantique